Né de deux parents professeurs, Paul Giamatti ne s'éloigne pas tout de suite du giron familial, puisqu'il décroche un diplôme en art dramatique au sein de la prestigieuse Université de Yale, là même où son père exerce la fonction de président. Sa carrière débute au début des années 90, par des apparitions dans Singles (1992, le deuxième film de Cameron Crowe), Maudite Aphrodite de Woody Allen (1995), ou encore Sabrina de Sydney Pollack (id.).

Deux ans plus tard, il incarne un agent du FBI aux côtés de Johnny Depp et d'Al Pacino dans Donnie Brasco, puis retrouve Woody Allen pour Harry dans tous ses états. L'acteur est alors abonné aux seconds rôles, partageant son temps entre des productions mêlant drame et action. En 1998, il s'engage comme sergent dans Il faut sauver le soldat Ryan de Steven Spielberg, avant de suive les déboires du Négociateur. L'acteur reprend ensuite le contrôle, celui de Jim Carrey, dans la régie du Truman Show. Le comique ne lui en tiendra pas rigueur, puisqu'il lui donne la réplique dans Man on the Moon (1999).

S'il obtient enfin son premier vrai rôle d'importance avec la tragi-comédie Duos d'un jour, le physique "passe partout" de Paul Giamatti l'entraine toujours vers des rôles effacés, d'abord dans le cynique Storytelling de Todd Solondz, puis sous un costume de primate dans La Planète des singes, version Tim Burton. Acteur de théâtre reconnu, il se produit également dans La Résistible ascension d'Arturo Ui de Bertold Brecht, avant de retrouver le grand écran en 2003 dans American splendor de Shari Springer Berman et Robert Pulcini (Grand Prix du jury à Sundance 2003), et dans Confidence de James Foley.

En 2004, Paul Giamatti sort enfin du purgatoire des seconds rôles "dont on connaît le visage mais jamais le nom" pour exploser dans la comédie de mœurs à succès Sideways d'Alexander Payne, avant d'apparaître aux côtés de Russell Crowe dans le film De l'ombre à la lumière (Ron Howard, 2005). Un titre prédestiné, puisque cette plongée dans le monde de la boxe lui permet d'obtenir une nomination à l'Oscar du Meilleur acteur. Entretemps, il retombe en enfance, prêtant sa voix à des personnages de dessins animés (Robots, Astérix et les Vikings et Lucas, fourmi malgré lui).

Giamatti découvre alors l'univers fantastique de M. Night Shyamalan dans le conte aquatique La Jeune fille de l'eau (2006), où il côtoie la nymphe Bryce Dallas Howard. Sa récente nomination aux Oscars lui permet de multiplier les tournages. Il incarne l'inspecteur Uhl, qui mène une enquête sur L'Illusionniste, est à la tête d'une armée d'assassins dans Shoot'Em Up et devient le frère de Vince Vaughn dans Frère Noël. Quand il s'agit de donner la réplique à la belle Scarlett Johansson, baby-sitter de son fils, il troque enfin son costume du Père Noël contre celui du père de famille pour Le Journal d'une baby-sitter.

L'année suivante, il incarne le deuxième président des Etats-Unis, John Adams, dans une mini-série éponyme qui rencontre un grand succès critique. Sa prestation est récompensée par un Golden Globe du Meilleur acteur. La carrière de Paul Giamatti s'avère ensuite très éclectique : il s'interpose entre le duo glamour de Duplicity, formé par Clive Owen et Julia Roberts, s'affiche dans Ames en stock, en jouant son propre rôle, celui d'un acteur américain célèbre en pleine crise existentielle, et se glisse même dans les habits du sanguinaire Roi Jean pour les besoins du Sang des Templiers.

En 2011, Giamatti se tourne vers la comédie pure. Il effraie les héros de Very Bad Trip 2, composant de nouveau un personnage de méchant sanguin et énervé. Retrouvant un semblant de sérieux, il campe l'impulsif Barney, puis gravit Les Marches du Pouvoir, en farouche adversaire politique de George Clooney. Grâce à David Cronenberg, le comédien monte ensuite d'autres marches, celles du Festival de Cannes, en rejoignant le casting quatre étoiles de l'apocalyptique Cosmopolis, dans lequel il harcèle le richissime Robert Pattinson. Il apparaît ensuite dans le film musical Rock Forever avec Tom Cruise.

Enchaînant les rôles au cinéma, Paul prend part à la comédie horrifique John Dies at the End, au film d'animation et de SF Le Congrès, au biopic Dans l'ombre de Mary, au drame historique Parkland, au blockbuster The Amazing Spider-Man 2 ou encore à l'adaptation du roman de Gustave Flaubert Madame Bovary. Il côtoie aussi Dwayne Johnson dans les lucratifs San Andreas et Jungle Cruise. Mais c'est du côté des séries qu'il trouve ses rôles plus marquants. En témoigne son personnage de l'avocat tenace Chuck Rhoades dans Billions (2016 - 2023), qui cherche à faire emprisonner le milliardaire Damian Lewis.

Parallèlement, il donne de la voix pour les besoins de Ratchet et Clank, BoJack Horseman ou encore Rick et Morty. En 2023, Paul Giamatti retrouve Alexander Payne pour Winter Break, une comédie dramatique où il incarne un professeur d'histoire à l'ancienne peu apprécié de ses élèves et ses collègues.